Competing Effects of Hydration and Cation Complexation in Single-Chain Alginate

化学 聚电解质 氢键 分子内力 褐藻酸 反离子 水溶液 分子间力 海藻酸钙 侧链 结晶学 高分子化学 立体化学 分子 离子 聚合物 有机化学 生物化学
作者
Zezhong John Li,Simcha Srebnik,Orlando J. Rojas
出处
期刊:Biomacromolecules [American Chemical Society]
卷期号:23 (5): 1949-1957 被引量:23
标识
DOI:10.1021/acs.biomac.1c01591
摘要

Alginic acid, a naturally occurring anionic polyelectrolyte, forms strong physically cross-linked hydrogels in the presence of metal cations. The latter engage in electrostatic interactions that compete with intra- and intermolecular hydrogen bonds, determining the gel structure and properties of the system in aqueous media. In this study, we use all-atom molecular dynamics simulations to systematically analyze the interactions between alginic acid chains and Na+ and Ca2+ counterions. The formed alginates originate from the competition of intramolecular hydrogen bonding and water coordination around the polyelectrolyte. In contrast to the established interpretation, we show that calcium cations strongly bind to alginate by disrupting hydrogen bonds within (1 → 4)-linked β-d-mannuronate (M) residues. On the other hand, Na+ cations enhance intramolecular hydrogen bonds that stabilize a left-hand, fourfold helical chain structure in poly-M alginate, resulting in stiffer chains. Hence, the traditionally accepted flexible flat-chain model for poly-M sequence is not valid in the presence of Na+. The two cations have a distinct effect on water coordination around alginate and therefore on its solubility. While Ca+ disrupts water coordination directly around the alginate chains, mobile Na+ cations significantly disrupt the second hydration layer.
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